智能家居空气质量测试系统的设计
漯河职业技术学院，河南 ·漯河 462222
摘要：建筑智能化发展下，人们对于建筑功能性需求也逐渐增多，智能家居下空气质量测试系统是当前健康智能家居的一个重要方向，通过质量测试能够提升建筑物室内空气质量，为人们提供更加舒适、健康的居住空间。
Abstract: under the development of building intelligence, people’s demand for building function is also increasing. The air quality testing system of smart home is an important direction of current health smart home. Quality testing can improve indoor air quality and provide more comfortable and healthy living space for people.
关键词：智能家居；空气质量；质量测试；测试系统
Keywords: smart home; air quality; quality testing; testing system
1 引言
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，在提升家居安全性及便利性的同时，又保留了其所具有的艺术性，营造出环保节能的居住环境。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，甚至为各种能源费用节约资金。
2 智能家居对人们生活的转变
随着社会经济的发展，人们的生活节奏在逐渐加快，日常生活似乎已经逐渐远离了人们。现今大多数年轻人都是三点一线或两点一线的奔波着，在工作之余很少有闲暇时间用来解决生活上的问题。而智能家居的诞生，无疑能够在很大一方面对此提供便利。比如：平时没空做早餐，所以大多数人选择不吃早餐，这样长此以往必然会对身体造成影响。而有了智能家居之后，早醒半小时安排早饭，然后睡个回笼觉起来吃上一份热腾腾的早餐，整天的工作状态都会有一个质的提升。再比如：出门上班时将窗户打开透气，不料突然下暴雨，请假回家关窗户肯定不合适，而不回家就有可能面临整个房间被雨水冲刷。在有了智能家居之后，一个按钮或者一句命令，门窗便会自动进行关闭，从此不再有这方面的担忧。因此，智能家居对生活是有很大影响的，不仅能够便利人们的日常生活，还能够针对无法料到的意外情况进行解决。智能家居所具备的功能多种多样，它就像一个全技能精通的仆人或管家，能够在需要时根据任何情况作出正确的应对[1]。智能家居功能多样，但并不是每样都有需求，而是应当根据房屋主人的需求选择正确的智能家居系统。在通常情况下，以下几类是大多数家庭会选择的智能家居系统类型：第一，智能安全系统：防盗、防火、燃气泄漏报警及紧急求助。第二，智能照明系统：控制电灯的开关、明暗，做到家中无人即灭灯。第三，环境控制系统：窗帘控制，门窗控制等。第四，智能家电系统：家庭影院、电饭煲、微波炉、电风扇等。第五，智能应对系统：如火灾时自动断电、灭火，燃气泄漏时自动开窗换气并发出警报，下雨时自动关闭门窗。第六，多种控制系统：如通过手机APP、智能遥控器、触摸屏等控制家庭设备。
3 智能家居空气质量测试系统的设计分析
3.1 总体设计
根据智能家居的需求，室内空气质量的分析应该包括日常的温度和湿度测量，危害人体较为严重的甲醛、一氧化碳、烷类、苯类等有害气体的测量，还包括室内和PM2.5粉尘浓度等测量项目，通过这些测量项目可以充分了解家居环境的空气质量，也可为家庭中消灭初期火灾、天然气泄漏等提供重要的数据参考和依据。根据系统设计要求，论文主要解决系统硬件电路的设计。包括采集数据的灰尘传感器、VOC有害气体传感器、温湿度传感器、A/D转换电路、控制和数据处理、接口电路、显示和键盘电路等等。对于传感器的选择，目前市场上品类很多，以高性价比为主；控制和数据处理采用控制器STM32F103R8T6，该芯片内包含12位A/D转换器、时间模块、多个定时器和中断等丰富的必用资源，性价比较高[]。
3.2 系统功能设计
所要开发设计的智能室内空气质量检测具有五个功能，分别为测量温度、湿度、粉尘浓度、显示信息和报警，能将原来独立的几个功能与家居融合，并通过单片机智能化和系统化地处理反馈，实现家居空气质量的智能检测。通过DHT11温湿度采集数据将信息显示于LCD1602上，如果温湿度超出设定的预警值，则指示灯点亮提示并蜂鸣器报警；待到环境温湿度在非预警区间时，报警自动关闭。采集的环境温度湿度数据具有掉电保存的功能。采用粉尘传感器来检测家居室内空气中的粉尘浓度，如果10微米颗粒物的浓度超标，则指示灯点亮提示并蜂鸣器报警，提醒用户采取必要的防护措施；如果粉尘浓度在非预警值时，报警自动关闭。采集的空气质量数据具有掉电保存的功能。
4 智能家居的质量测试系统的具体应用
4.1 智能家居子系统设计
智能家居子系统作为智能家居网络的末端，实现对家电的具体控制。针对不同的控制对象及要求常需要设计不同的子系统，但每个子系统都具有加入智能家居系统的网络接口，实现数据采集和对象控制两个任务。每个子系统的硬件设计均采用STC12系列的单片机为控制核心，接收由传感器等转换的电信号，通过处理向输出电路发送控制信号，使对象执行相应的动作。为保证子系统加入智能家居系统网络，单片机通过串口与ZigBee模块通信，实现子系统加入ZigBee组网的要求。
4.2 灰尘传感器
可以采用红外型光学粉尘传感器或激光型传感器检测粉尘。从采样数、数据源、算法来看，激光型传感器比红外型粉尘传感器更有优势，但由于传感器内的激光发生器和风机等机构和复杂的电路导致激光传感器价格也较高，至少在200左右，而红外型则20元左右。在主要考虑设计装置的价格因素并兼顾测量精度的情况下，决定采用GP2Y1010AU0F红外型传感器作为空气质量检测传感器。
4.3 温湿度传感器
温湿度传感器用来保证家居温湿度的恒定，对温度的控制可以提升用户的生活质量，为用户提供良好的生活环境。空气中湿度的控制，有利于人的身体健康。在实际使用中，单片机实现温湿度采集，触发继电器对空调、加湿器、除湿机的联动控制，从而实现温湿度控制。在技术实现上，温湿度传感器与单片机采用单总线通信方式，接口兼容TTL电平，便于单片机对温湿度传感器的温度读取。家用电器使用220V交流控制，因此单片机对家用电器的控制操作依靠继电器完成[3]。
5 系统的程序设计
第一步：首先对I/O端口初始化、定时器T0初始化、LCD1602显示初始化，并显示出常量字符Te:CHu:%和PM:0.000mg/m3。同时也对EEPROM初始化并读取已保存的温度temperature、湿度humidity、粉尘浓度PM＿NUM的数据。第二步：DHT11采集温度和湿度数据，取出温度和湿度中整数部分的数据，并在LCD1602中显示。当温度、湿度超出设定范围时报警。第三步：通过采集粉尘传感器的脉冲电压，并通过电容C5转化成粉尘输入电压信号，根据空气质量与电压的数学模型，经单片机处理后在LCD1602上显示。超出设定范围时，紫色LED灯亮且蜂鸣器报警。第四步：当有“设置”按键被按下时，进入设置模式，LCD1602光标闪烁，可以改变温度、湿度、粉尘浓度（即空气质量值），再通过“数值加”或“数值减”来改变保存在EEPROM中的相应变量值。
6 结语
综上所述，智能家居本身建设的目的就是为了给人们提供安全、舒适、便捷的生活环境，但是由于目前的智能化家居系统在多个方面显现出许多不足之处，论文通过智能家居中空气质量的测试系统的设计，可以对智能家居的发展起到一定程度的完善。该方案运用的多功能单片机控制技术、多类型传感器和接口技术，充分融入到智能家居系统之中，以形成强大的室内质量检测系统，提高空气质量，满足现代智能家居的多方面需求。
【参考文献】
[1]游战清,李苏剑.针对小户型多功能智能家居产品布局及设计应用[M].北京:电子工业出版社,2018.
[2]李易岐.基于stm32单片机的智能家居系统设计[D].吉林:吉林大学,2017.
[3]刘世伟,邱玉泉,等.基于STM32微控制器的无线智能家居监控系统[J].物联网技术,2016(6):15-16.
